(57)【要約】【課題】  本発明は、耐久性に優れたセラミックスと金属部材の固定方法及び複合部材を提供する。【解決手段】  ボルトでセラミックス部材と金属部材を接合する固定方法において、金属部材側に狭くなるテーパー孔を設けたセラミックス部材と該テーパー孔に倣いメスネジ加工孔を設けた部材とを固定するに際し、前記テーパー孔と前記メスネジ加工部の位置合わせをしてから、前記テーパー孔にメスネジ加工部を有する部材を挿入すると共に、ボルトを金属部材側から挿し込み、メスネジ加工部とボルトとをボルト締めすることを特徴とするセラミックス部材と金属部材の固定方法、及び、これにより得られる複合部材である。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボルトでセラミックス部材と金属部材を接合する固定方法において、金属部材側に狭くなるテーパー孔を設けたセラミックス部材と貫通孔を設けた金属部材とを固定するに際し、前記テーパー孔と前記貫通孔の位置合わせをしてから、前記テーパー孔にメスネジ加工部を有する部材を挿入すると共に、ボルトを金属部材側から挿し込み、メスネジ加工部材とボルトとをボルト締めすることを特徴とするセラミックス部材と金属部材の固定方法。
【請求項２】
前記メスネジ加工部を有する部材が、セラミック部材のテーパー孔の形状に倣った形状を有する請求項1記載のセラミックス部材と金属部材の固定方法。
【請求項３】
前記メスネジ加工部を有する部材のメスネジ加工部が、該部材を貫通している貫通孔である請求項1記載のセラミックス部材と金属部材の固定方法。
【請求項４】
前記メスネジ加工部を有する部材のメスネジ加工部が、該部材を貫通していない片閉じ孔である請求項1記載のセラミックス部材と金属部材の固定方法。
【請求項５】
前記メスネジ加工された部材の材質が、耐摩耗性鋼、延性鋼、低熱膨張性鋼、耐熱鋼、超硬合金又はセラミックスである請求項1〜4のいずれかに記載のセラミックス部材と金属部材の固定方法。
【請求項６】
前記金属部材に前記ボルトの頂部が沈み込むざぐりを形成する請求項1記載のセラミックス部材と金属部材の固定方法。
【請求項７】
セラミックス部材と金属部材とを結合してなる複合部材であって、前記セラミックス部材が金属部材側に狭くなるテーパー孔を有し、前記金属部材が貫通孔を有し、メスネジ加工部を有する部材を前記テーパー孔に嵌合し、前記メスネジ加工部とボルトを結合してなることを特徴とする複合部材。
【請求項８】
前記メスネジ加工された部材の形状が、セラミック部材のテーパー孔の形状に倣った形状である請求項7記載の複合部材。
【請求項９】
前記メスネジ加工部が貫通孔である請求項7記載の複合部材。
【請求項１０】
前記メスネジ加工部が片閉じ孔である請求項7記載の複合部材。
【請求項１１】
前記金属部材のセラミックス部材との接合面の反対側の貫通孔部にざぐりを有する請求項7記載の複合部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックス部材と金属部材の固定方法及び複合部材に関する。 
【背景技術】
【０００２】
例えば、フィーダー、ホッパー、破砕用ガイド、搬送及び排気径路等の製鉄設備として、従来の金属材料では十分な耐摩耗性や耐腐食性が得られない場合、その特性を改善するために、原料との摺動部や腐蝕ガス等に暴露される部位にはセラミックスプレートが固定されることが多い。その固定方法としては、特許文献1、特許文献2や特許文献3に見られるように、皿ビスを通すためのセラミックスプレートにザグリ構造を付与した貫通穴を利用したり、摺動部や腐蝕ガス暴露面の背面に溝を付与し、接着剤で固定したりするものが多かった。
【０００３】
【特許文献１】実開昭55-67014号公報
【特許文献２】特開平2-126976号公報
【特許文献３】特開平5-57244号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のような固定方法では、ザグリ部と金属製の皿ビスの掛かり(顎部)が無くなる位置まで皿ビスが摩耗又は腐蝕した場合、容易にセラミックスプレートが脱落し、耐久性が不足している鋼材が剥き出しとなり、十分な耐用期間が得られないことや、背面に溝加工を付与する固定方法では、難加工性のセラミックスに複雑な加工を必要とし、溝部の位置決め精度も十分とは言い難く、ぐらつきが生じ易く、溝奥のコーナー部でき裂が進展し易いため、耐用期間が短く、交換も容易にできないと言う課題を有していた。
【０００５】
そこで、本発明は、以上のような従来の問題点に鑑み創案されたもので、その目的とするところは、 耐久性に優れたセラミックスと金属部材の固定方法及び複合部材を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る耐摩耗、耐腐食性セラミックスと金属部材の固定方法は、例えば、各種原料を搬送、破砕、分級、混合、投入する金属製の製造設備において、ボルトでセラミックスプレートを接合する構造では、セラミックスプレートのテーパー穴に挿入するメスネジ加工された部材に、ボルトが完全に沈み込み、かつそのボルトは金属部材を貫通し、金属部材側から固定する構造にしたため、施工が極めて容易になることを特徴とするものである。  即ち、本発明の要旨は、以下のとおりである。
(1)  ボルトでセラミックス部材と金属部材を接合する固定方法において、金属部材側に狭くなるテーパー孔を設けたセラミックス部材と貫通孔を設けた金属部材とを固定するに際し、前記テーパー孔と前記貫通孔の位置合わせをしてから、前記テーパー孔にメスネジ加工部を有する部材を挿入すると共に、ボルトを金属部材側から挿し込み、メスネジ加工部材とボルトとをボルト締めすることを特徴とするセラミックス部材と金属部材の固定方法。
(2)  前記メスネジ加工部を有する部材が、セラミック部材のテーパー孔の形状に倣った形状を有する(1)記載のセラミックス部材と金属部材の固定方法。
(3)  前記メスネジ加工部を有する部材のメスネジ加工部が、該部材を貫通している貫通孔である(1)記載のセラミックス部材と金属部材の固定方法。
(4)  前記メスネジ加工部を有する部材のメスネジ加工部が、該部材を貫通していない片閉じ孔である(1)記載のセラミックス部材と金属部材の固定方法。
(5)  前記メスネジ加工された部材の材質が耐摩耗性鋼、延性鋼、低熱膨張鋼、耐熱鋼、超硬合金又はセラミックスである(1)〜(4)のいずれかに記載のセラミックス部材と金属部材の固定方法。
(6)  前記金属部材に前記ボルトの頂部が沈み込むざぐりを形成する(1)記載のセラミックス部材と金属部材の固定方法。
(7)  セラミックス部材と金属部材とを結合してなる複合部材であって、前記セラミックス部材が金属部材側に狭くなるテーパー孔を有し、前記金属部材が貫通孔を有し、メスネジ加工部を有する部材を前記テーパー孔に嵌合し、前記メスネジ加工部とボルトを結合してなることを特徴とする複合部材。
(8)  前記メスネジ加工された部材の形状が、セラミック部材のテーパー孔の形状に倣った形状である(7)記載の複合部材。
(9)  前記メスネジ加工部が貫通孔である(7)記載の複合部材。
(10)  前記メスネジ加工部が片閉じ孔である(7)記載の複合部材。
(11)  前記金属部材のセラミックス部材との接合面の反対側の貫通孔部にざぐりを有する(7)記載の複合部材。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係るセラミックス部材と金属部材の固定方法を、例えば、製鉄設備向けのライニング構造に適用すれば、鋼材とセラミックスプレートとの接合手段であるボルトが摩耗するまでの期間が極めて長く、背面への複雑な加工も必要なくなり、支持部が長くなるためぐらつきも抑制されるため、耐摩耗・耐腐食性セラミックスプレートの剥離、脱落が減少することに伴って、ライナー自体の耐久寿命が大幅に向上するものとなる。 
また、使用環境毎の用途や目的に応じたセラミックスプレートの厚さを自由に設定できることから、施工コストや工期を大幅に削減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明者らは、上記の目的を達成するために、種々検討した結果、耐摩耗、耐腐食等の耐久層を必要とする製造設備として、優れた耐摩耗性や耐腐食性等を有するセラミックス、例えば、粒界相を高い融点を有する結晶相で高度に結晶化処理(例えば、難焼結性の窒化珪素粉末の焼結を助長する酸化物や酸窒化物からなる助剤成分を1250℃までの高温で非常に安定な1300℃以上の高融点を有する結晶相、例えばRE2Si2O7(REは希土類元素)、Si2N2O等に結晶化させるための熱処理を行う)した窒化珪素又はサイアロン焼結体、及び炭化珪素(SiC)焼結体中に、平均径1〜10μmのTi1-xZrxB2(0.02≦x≦0.25)で表せる硼化チタン硼化ジルコニウム固溶体粒子が体積分率20〜70%の範囲で分散した相対密度99%以上であることを特徴とする粒子分散炭化珪素質セラミックス等からなるライニング構造の提供により、上記の目的が達成可能なことを見出した。本発明者等は、セラミックス部材と金属部材を接合する構造に改良を加えて、図1に示すような分割かつテーパー構造化を提供しようとするものである。
【０００９】
上記以外にも、耐摩耗、耐腐食性セラミックスとしては、公知のアルミナ質、ジルコニア質、ムライト質、汎用の窒化珪素系、汎用の炭化珪素系、金属ホウ化物系のセラミックス材料の少なくとも1種以上、並びに、これらのセラミックスの複合又は積層構造体、さらには、繊維質等の分散強化型セラミックスのいずれでも適用可能である。
【００１０】
本発明のセラミックス部材に設けるテーパー孔について、加工の容易性と適用箇所の固定法によって、種々のテーパー形状の設定が可能である。例えば、より安価に固定するのであれば、テーパー角度の小さな(例えば10/100以下)貫通孔が好適であり、より強固な固定が必要な場合では、段付き構造の付与により、テーパー＋ざぐり＋テーパーやテーパー＋ざぐり＋ストレート等のテーパー孔構造を適用することも可能である。セラミックス部材とメスネジ加工された部材との界面には、必要に応じ、応力緩衝層や雰囲気中の流体の浸入を防止するシール材の挿入も容易に可能である。
【００１１】
メスネジ加工された部材の材質については、耐摩耗性のSKD11やSNCM439等の高級鋼の他、耐摩耗性の肉盛溶射層によって補強された低級鋼、延性に優れ衝突時の衝撃緩和、セラミックス部材の位置ずれ、温度変化等による膨張時の負荷を軽減、セラミックス材の破断前変形を吸収可能な鋼材、熱変動のある使用環境ではセラミックス材料の熱膨張挙動に近い低熱膨張鋼、超硬合金、超硬やNi-Cr溶射層を有する鋼、又は、セラミックス、特にメスネジ加工が比較的容易な易加工性のセラミックスが、それぞれの使用環境で好適である。好ましくは、メスネジ加工された部位にはセラミックス材が破損に至るまでの破断延び以上の延性を有する材料が適しており、さらに好ましくは、0.2%以上の延性を有する材料である。
【００１２】
また、高温雰囲気又は高温の落下物等の熱的な衝撃を受ける部位に使用される場合には、メスネジ加工部とセラミックス部材の間、又は、高さ調整用金属製部材とセラミックス部材の間の一方又は双方に、軟質金属、耐熱繊維、等を挿入し、メスネジ加工部の熱膨張に伴うセラミックス側への負荷を軽減することも有効である。メスネジ加工部は、摺動や雰囲気に暴露される面に貫通している必要も、セラミックス材料面に高さを合わせる必要もない。例えば、費用対効果に応じて、暴露面と同じセラミックス材を使用する場合もあり、また、形状としても貫通孔又は片閉じ孔のいずれかを適宜選択することが可能である。
【００１３】
本発明は、金属部材とセラミックス部材とがメスネジ加工部を有するテーパー部材とボルトでもって接合されているため、例えば、製鉄設備向けのライニング構造に適用すれば、各種原料が貯蔵槽からアンローダーやベルトコンベアー等から切り出され落下する衝撃や、原料が振動して移動していく際の摩擦によっても、セラミックスプレート(セラミックス部材)が鋼材(金属部材)から容易に剥離、脱落し得ないものとなっている。また、ボルト頭上方には皿ビス構造が無く、セラミックスプレートを固定するメスネジ加工された下向き凸型テーパー挿入部材がボルトによって固定されている限り、セラミックスプレートが外れることはない。なお、ボルトの材質は、熱膨張率10×10-6/K以下の金属又はメスネジ加工部と同様のセラミックス材を用いることが、熱変動の大きな場合には好ましい。
【００１４】
実摺動面や暴露面に対して、背面側に位置する金属部材側にざぐり加工を施し、背面側の取り付け部材との密着性や安定性を高めることも可能である。この場合、金属製ボルトの場合は、ざぐり穴の頂部とボルトの頭を溶接することによって、ボルトの緩みを効率よく抑止することも可能となる。
【００１５】
皿ビスを固定するために高額な加工を必要とするセラミックス部材へのざぐり構造が必要とならず、さらに、セラミックス部材の厚さを任意に設定できることから、用途に合わせたコスト設定が可能となるため、使用条件や環境に応じたコストの自由度が広げられるという特徴を有している。
【００１６】
また、図1(a)、(b)に示すように、セラミックス部材と金属部材との間に、厚さ調整用の金属層を挿入することにより、使用環境毎の用途や目的に応じたセラミックスプレートの厚さを自由に設定できることから、施工コストを大幅に削減することが可能となる。セラミックス部材は、高肉厚化を行う場合、歩留りの低下やコスト増に繋がり、上記調整用金属層の挿入は非常に有効な手段となる。金属層の材質としては、高い衝撃や摺動摩擦が負荷される場合は硬質で延性のないものが好ましく、雰囲気に対する耐蝕性が要求される場合は硬度が高い必要は無く、ロウ付けや冷やし嵌めや焼き嵌め等の嵌合法とは異なり、SS400等の汎用鋼材料を適用する等の用途に応じた選択が可能となる。
【００１７】
本発明の複合材料とは、セラミックス材を金属部材へ固定するための単位構造を指しており、複合化のために複雑な加工や高コストな接着、接合工程が必要であった課題を解決するための複合化構造を意味している。
【実施例】
【００１８】
本発明の具体的実施例の一例を、図面に基づいて説明する。
【００１９】
図1の(a)と(b)は、本発明に係る2つの実施例を、図2及び図3は、従来の固定方法を示している。図中、1は、耐摩耗・耐腐蝕性炭化珪素セラミックスプレート、2は、鋼材(分割又は高さ調整用で、図1の(c)ではこの鋼材が無い場合、図１の(d)ではセラミックス材とメスネジ加工部の係りを長くした場合をそれぞれ示す)、3は、テーパー付き挿入メスネジ加工材(φ30、テーパー8/100、M20貫通メスネジ孔、材質S45C)、4は、ボルト(SNCM439)、5は、施工用の母鋼材(SS400)、6は、セラミックスプレート背面溝と鋼材との接着剤層である。セラミックスプレートのサイズは、100mm×100mm×厚さ20mmを基本とし、使用時の千鳥配列に伴うユニット端部は、適宜100mm以下の辺(通常は50mm×100mm×厚さ20mm)を有する多角形体で、厚さ20mmは一定とした。また、ネジ加工部のネジサイズは、衝突する焼結鉱やコークスの粒径(25〜50mm)に対し十分小さく、かつ、固定時の強度が維持されるM20を適用した。図1の構成からなる本実施例の試験例を示す。
【００２０】
本実施例の構成からなる耐摩耗ライナーを用い、製鉄原料として焼結鉱及びコークスを用いた場合の耐用年数を計測した。また、比較のために、接着剤により単に平面同士を接着した構造のライナー(従来例1とする)、図2に示した皿ビスを用いた固定法によるライナー(従来例2とする)、及び、図3に示した背面に溝を施工し接着剤で固定したライナー(従来例3とする)を用いて、本実施例の場合と全く同一条件の下、その耐用年数を計測した。
【００２１】
表1は、その結果を示すものであるが、この表からも明らかなように、本実施例は従来例1に比較して5倍以上、また、従来例2や従来例3に比較して2倍以上寿命が向上している。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
このように、本実施例のライナーにおいては、ボルト頭上方の凹陥部の摩耗が進展せず、ボルトの頭が摩耗してボルトが外れる恐れはなく、背面溝という複雑な加工がなく、ぐらつきを抑制することができるため、その結果、セラミックスプレートの剥離、脱落が発生し難いものとなっている。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る複合部材の一実施例断面図であり、(a)は、テーパー付き挿入メスネジ加工材のネジ穴が貫通しているタイプ、(b)は、テーパー付き挿入メスネジ加工材が片閉じ式のネジ穴のタイプ、(c)は、セラミックス部材を高さ調整無しに金属部材に直接固定するタイプ、(d)は、高さ調整用金属製部材の内径を拡げ、テーパー付き挿入メスネジ加工材とセラミックス部材の合わせ面の長さを(c)と同じだけ確保し、セラミックス使用量を低減(即ち低コスト化)したものを示す。
【図２】従来例2に係る皿ビスを用いた固定法を示す概念断面図である。
【図３】従来例3に係る背面に溝を施工し、接着剤で固定した方法を示す概念断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
1…セラミックス部材
2…セラミックスコストを低減するための分割化、又は、高さ調整用の金属製部材
3…メスネジ加工部を有するテーパー付部材(セラミックスでも可)
4…ボルト(セラミックスでも可)
5…金属製部材(金属製設備)
6…ロウ層、有機又は無機系接着剤
【図１】
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【図２】
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【図３】
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